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编译服务: 生物安全网络监测与评估 编译者: yanyf@mail.las.ac.cn 编译时间: Aug 13, 2019 点击量: 530

量子物理学的见解使工程师能够将电路板,光纤和控制系统中使用的元件整合到从智能手机到高级微处理器的新应用中。但是,即使近年来取得了重大进展,研究人员仍在寻找新的更好的方法来控制量子材料独特的强大电子特性。

宾夕法尼亚大学研究人员的一项新研究发现,Weyl半金属是一类量子材料,具有体量子态,其电性能可用光控制。该项目由Ritesh Agarwal和研究生Zhurun Ji在工程与应用科学学院领导,与艺术与科学学院的Charles Kane,Eugene Mele和Andrew M. Rappe以及南洋理工大学的Zheng Liu合作。 Penn的Zachariah Addison,Gerui Liu,Wenjing Liu,Heng Gao和Nanyang的Peng Yu也为这项工作做出了贡献。他们的研究结果发表在Nature Materials上。

Agarwal首先在硅片中报道了这些非传统的光电性质或使用光产生电流的能力的暗示。他的小组能够通过改变材料表面上的手性或硅原子排列的固有对称性来控制电流的移动。

“当时,我们也试图了解拓扑绝缘体的性质,但我们无法证明我们所看到的是来自那些独特的表面状态,”Agarwal解释说。

然后,在对Weyl半金属进行新实验的同时,大量材料中存在独特的量子态,Agarwal和Ji得到的结果与任何可以解释电场在被光激活时如何移动的理论都不匹配。代替在单个方向上流动的电流,电流以旋转的圆形图案围绕半金属移动。

Agarwal和Ji转向Kane和Mele帮助开发一个新的理论框架,可以解释他们所看到的内容。在进行了新的,非常彻底的实验以迭代地消除所有其他可能的解释之后,物理学家能够将可能的解释缩小到与光束结构相关的单一理论。

“当你对物质发光时,将光束视为横向均匀是很自然的,”梅勒说。 “使这些实验有效的原因是光束有一个边界,使电流流通的原因与其在光束边缘的行为有关。”

利用这一新的理论框架,并结合Rappe对材料内部电子能级的见解,Ji能够确认电流的独特圆周运动。科学家还发现,可以通过改变光束的结构来控制电流的方向,例如改变其偏振方向或光子的频率。

“以前,当人们进行光电测量时,他们总是认为光是平面波。但我们打破了这个限制,并证明不仅光偏振而且光的空间色散都会影响光物质相互作用过程,”Ji说。 。

这项工作使研究人员不仅可以更好地观察量子现象,而且还可以通过改变光束模式来设计和控制独特的量子特性。 “调制光的偏振和强度可以改变电荷传输方式的想法可能是强有力的设计理念,”Mele说。

由于这些结果,分别基于光子或电子自旋转移数字化信息的“光子”和“自旋”材料的未来发展也成为可能。 Agarwal希望将这项工作扩展到包括其他光束模式,例如“扭曲光”,它可用于创建新的量子计算材料,允许将更多信息编码到单个光子上。

“对于量子计算,所有平台都是基于光的,所以它是光子,它是量子信息的载体。如果我们可以在芯片上配置我们的探测器,一切都可以集成,我们可以直接读出光子的状态,“Agarwal说。

Agarwal和Mele强调Ji所做的“英勇”努力,包括在进行一系列全新实验时进行的额外一年的测量,这些实验对于研究的解释至关重要。 “我很少见到一个研究生面临这样的挑战,他不仅能够胜任它,而且能够掌握它。她主动做一些新的事情,她完成了,”梅勒说。

——文章发布于2019年8月5日

 

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